Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук

29 июня 2022 г. состоится научный семинар по акустической и оптической спектроскопии

В среду 29 июня 2022 г. в 15:00 в Конференц-зале НТЦ УП РАН состоится научный семинар по акустической и оптической спектроскопии.

С докладом на тему «Неустойчивость алмаза при экстремальных условиях и фазовая диаграмма углерода» (по материалам диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук) выступит Чуркин Валентин Дмитриевич (МФТИ).

Аннотация:

Углерод уникален возможностью образовывать химические связи, о чем свидетельствует большое количество органических веществ. Способность атомов углерода формировать ковалентные связи как между собой, так и с атомами других химических элементов, можно проследить по его электронной структуре, где s- и p- орбитали легко гибридизуются с образованием состояний sp, sp 2 , sp3 . Поскольку углерод также может иметь степень окисления от -4 до +4, он может проявлять как свойства восстановителя, так и окислителя. В отсутствие свободных связей, углерод показывает высокую инертность, и его часто используют как термостойкий конструкционный материал. Он также может образовывать пористые структуры, в которых адсорбируются или интеркалируются другие атомы или молекулы. Некоторые интеркаляционные соединения графита, фуллеренов или нанотрубок могут, таким образом, иметь возможные применения в качестве сверхпроводников или легких силовых проводников, в качестве стабильных хранилищ для ионов водорода или металлов в энергетических приложениях или просто в качестве смазочных материалов. В то время как фуллерены являются только акцепторами электронов, графит и нанотрубки являются амфотерными и могут интеркалироваться как акцепторными, так и донорными примесями. Алмаз также может быть легирован, например, бором, чтобы стать полупроводником р-типа. Даже чистый углеродный материал демонстрирует широкий диапазон электронных свойств: от широкозонного диэлектрика (алмаз) до полупроводника (фуллерены, нанотрубки), полуметалла (графит, нанотрубки), металла (нанотрубки) и даже сверхпроводящего металла (свернутый двуслойный графен).

Свойства связей в углероде позволили открыть большое количество аллотропных модификаций. Так, в конце 2021 года для чистого углерода было зарегистрировано 524 отдельных стабильных или метастабильных трехмерных (3D) кристаллических структур, и это число все еще быстро растет. Хотя все аллотропы в этой базе данных имеют четко определенные структуры и, возможно, метастабильны в некоторых диапазонах давлений и температур, экспериментально была синтезирована всего лишь малая часть. Для большинства структур, предсказанных теорией, не было найдено экспериментальных условий для синтеза из любого исходного материала. С другой стороны, для многих углеродных образцов, экспериментально 4 наблюдаемых под давлением, было получено мало структурной информации, а фактическая структура не была идентифицирована. В дополнение к кристаллическим трехмерным аллотропам, о которых упомянуто выше, следует также добавить большое количество двумерных (2D) или квази-2D кристаллических структур, таких как графен и различные молекулярные, нанокластерные структуры, включая разупорядоченные или аморфные.

Обсуждение проблемы создания материалов, превосходящих по механическим свойствам алмаз, широко освещено в литературе. Расчет объемного модуля упругости отдельной молекулы фуллерена дает значение 903 ГПа, а открытый позже ультратвердый фуллерит может иметь объемный модуль упругости от 500 до 1000 ГПа в зависимости от структуры и условий синтеза.

При всем многообразии углеродных структур, обнаруженных в последнее время, и их механических свойств остается открытым вопрос: есть ли место на фазовой диаграмме углерода для углеродных нанокластеров и материалов на их основе? Поэтому исследование углеродных структур при экстремальных условиях является актуальным.

Полученные результаты позволят уточнить уже имеющиеся теоретические и экспериментальные данные о стабильности различных форм углерода, а также будут являться основой для поиска и синтеза новых сверхтвердых и ультратвердых материалов.